发电厂和变电所的防雷保护

1、本节内容：8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护 发电厂和变电所是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电机、变压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，发电厂和变电所的防雷保护要求十分可靠。 防雷区别：线路防雷：部分耐雷发电厂、变电所：完全耐雷变电所中出现的雷电过电压的两个来源雷直击于发电厂、变电所雷击输电线路产生的雷电波侵入发电厂、变电所防雷措施：直击雷防护：避雷针、避雷线和接地装置雷电侵入波防护：避雷器及其他措施根据统计我国35KV和110220KV变电所：由入侵雷电波而引起的事故率

2、分别为0.67次/（百所.年）和0.5次/（百所.年） ，直配电机的雷击损害率约为1.25次/（百所.年）保护措施 安装避雷针、避雷线和铺设良好的接地网 按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。装设要求装设避雷针（线）应该使发电厂、变电所的所有设备和建筑物处于保护范围之内；注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，应当使被保护物体与避雷针（线）之间留有一定距离，以防止发生避雷针（线）对电气设备的反击（逆闪络）。1. 直击雷过电压的防护反击：即雷击于避雷针及避雷线后，它们的地电位可能提高，如果它们与被保护设备的距离不够大，则有可能在避雷针、避雷线与被保护设备之间发生放电，或叫做

3、逆闪络。此类放电现象不但会在空气中发生，而且还会在地下接地装置间发生，一旦出现，高电位就将加到电力设备上，有可能导致电力设备的绝缘损坏。直击雷防护设计的主要内容选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题，防止逆闪络的发生雷电流经避雷针及其接地装置在避雷针h高度处和避雷针的接地装置上将出现高电位UA(kV)和UG(kV)。图8-27雷击独立避雷针1母线 2变压器式中:i流过避雷针的雷电流，kA； Ri避雷针的冲击接地电阻，单位为； L避雷针的等值电感 ； 雷电流

4、的上升陡度，kAus 。 避雷针（线）的设计计算（1）. 雷击独立避雷针 取空气的平均耐压强度为500kVm；取土壤的平均耐电强度为300kVm， Sa0.2Ri0.1h Se0.3Ri式中:Sa空气中距离，m； Sc地中距离，m； h避雷针校验点的高度，m Ri 独立避雷针的工频接地电阻不宜大于10应该考虑空气、地下间隙不发生反击的距离sa、se。（2）. 架空避雷线 h：避雷线支柱的高度，ml：避雷线两支柱间距离，ml：避雷线上校验的雷击点与最近支柱间的距离，m 一端绝缘另一端接地的避雷线 ：避雷线分流系数l：避雷线上校验的雷击点与最近支柱间的距离l2：避雷线上校验的雷击点与另一支柱间的距

5、离 两端接地的避雷线 国家规定 无论对于避雷针还是避雷线，Sa不宜小于5m，Sb不宜小于3m，在可能的情况下，应适当地加大。对于110kV及以上的配电装置，由于绝缘较强，不易反击，一般可将避雷针装设在构架上。构架避雷针有造价低廉，便于布置的优点。但因构架离电气设备较近，必须保证不发生反击的要求。（3）我国规程的要求 避雷针35kV 及以下配电装置的绝缘较弱，其架构或房顶上不宜装设避雷针，而应装设独立避雷针。发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生感应或反击使继电保护误动作，甚至造成绝缘损坏。安装避雷针的构架的接地装置与主变接地点之间电气距离应大于15m（防止发生反击），不允许在变压器门型架上装设避

6、雷针。60kV的配电装置在500m的地区容许采用构架避雷针，而在500m的地区宜采用独立避雷针。110kV及以上的配电装置，在土壤电阻率1000m 时，不易反击，容许装设构架避雷针。我国有关规程规定： 110kV 及以上的配电装置 可将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但土壤电阻率大于 1000m 的地区，应加装 3 5 根接地极。 35 60kV 配电装置 在 不大于 500m 的地区，允许将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但应装设 3 5 根接地极；当 500m 时，避雷线应终止于线路终端杆塔，进变电所一档线路可装设避雷针保护。 避雷线2. 侵入波过电压的防护发电厂和变电所的行波保护a.

7、 阀型避雷器（限制来波的幅值）b. 进线保护（冲击电晕降低入侵波的陡度和幅值；导线波阻 抗限制流过避雷器的冲击电流幅值）沿导线传播的侵入波幅值远远高于变电站内设备绝缘水平如：110kV线路一般7片绝缘子，闪络电压为700kV，而变压器冲击绝缘水平为480kV，多次全波试验保险电压为478kV，如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。 但在实际中，变电所有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电所内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备

8、之间总有一段长度不等的距离。 在雷电浸入波的作用下，被保护设备的电压将与避雷器上的电压不相同。避雷器的保护作用基于三个前提： 它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合 它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度 被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。（1）、避雷器的保护动作过程避雷器直接并在设备旁（避雷器与被保护设备连接一点）动作前的等值电路动作后的等值电路避雷器电压b.5b.5避雷器上的电压可以看作斜角平顶波避雷器的保护作用分析放电后，避雷器电压Ub的图解法（2）、避雷器与变压器间的距离对过电压的影响避雷器和被保护设备并在一起时，被保护设备上的过电压就是避雷器上的电压，但

9、实际工程中不可能在每台被保护设备上并一台避雷器，一般只在变电所母线上装设避雷器，由于变压器是最重要的设备，因此避雷器应尽量靠近变压器。也就是说避雷器与被保护设备存在一定距离 距离对过电压有影响假设：每点的电压到达时刻为计时0点； 入侵波为斜角波t，线路无限长，无反射； 认为变压器开路，即忽略其入口电容；设备上过电压为：a.避雷器上的电压在波第一次到达B点时为时间起点t=0。开始阶段，雷电波在B点的电压为ub(t)=at ，直到T点反射的反射波到达B点2) 在反射波到达B点至避雷器动作以前，B点的电压为前行波与反行波的叠加，在避雷器动作后，即t=tf时，保持残压Ub-5（5kA下的 残压）。也可

10、看成在B点叠加了一个负电压波-2a(t-tf)避雷器上的电压波形c.变压器上的电压在T点首次感受到电压时为时间起点，此时即发生正的全反射，因此，电压为2at2) 在避雷器动作瞬间，B点电压为：3) 在避雷器动作产生的负波第一次到达B点瞬间，4) 在避雷器的负波在B点发生正全反射，此反射波到达A点后被吸收，等于又叠加了一个负波，此负波在一段时间后到达B点，发生正全反射变压器上的电压波形c.进线刀闸上的电压在波到达L时为时间起点。开始阶段，雷电波在L点的电压为ub(t)=at ，直到T点的反射波到达L点2) 在T点反射波到达L点至避雷器动作产生的负电压波到达L点以前，L点的电压为3) 在避雷器动作

11、时产生的负电压波到达L点以后进线刀闸处的波形分析进线刀闸处的电压最大值：变压器上的电压最大值为： 因此，不论被保护设备位于避雷器前面还是后面，只要它和避雷器间有一段距离，则上面的电压必然大于避雷器残压，其差值为： 实际上，考虑了设备对地电容、出线可能多于一路等情况，被保护设备与避雷器间电压差值修正为：结论：被保护设备离避雷器越远，设备上电压高出避雷器电压就越多。实际电压波形变压器上典型的实际电压波形根据实践经验，对变压器而言，此值为变压器三次截波耐压值的1/1.15倍：由于避雷器动作以后的波的多次折反射，变压器上的电压为振荡的，这种波形与全波相差较大、而与截波相似，实际中就是以变压器承受多次截

12、波的能力（多次截波耐压值uj）表示承受雷电波的能力由以上分析可知，当雷电波入侵变电所时，变电所设备上所受冲击电压的最大值Us（3）、避雷器的最大保护距离取变压器的冲击耐压强度（多次截波耐压值）为Uj，最大电气距离 最大电气距离: 超过最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压Us将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）Uj。-变压器与避雷器之间的最大允许距离结论：（1）避雷器具有一定的保护范围，最大允许距离Lmax与 变压器uj和避雷器ur差值有关 ujur Lmax 限制通过避雷器的雷电流，5kA或10kA，降低残压（2）Lmax与侵入波陡度a有关 a Lmax 限制雷电流陡度a 图中显示了变电站内避

13、雷器与主变压器、电压互感器之间的最大电气距离与侵入波陡度的关系。一路进线两路进线横坐标：空间梯度采用保护性能更好的氧化锌避雷器，保护距离可增大注意：由于变电所内其它设备的冲击耐压值比变压器高，他们距比来气的最大运行电气距离Lmax可以比上图相应要大35%；变电站多回出线比单回出线Lmax高：对于二路出线的变电所，其最大允许电气距离比一路进线为大，这是因为：二路进线，一路来波时，另外一路将分流一部分雷电流；规程建议：三路进线变电所的Lmax可按上图（b）增大20%，四路以及以上进线可增大35%；变压器多次截波耐压值与避雷器残压的比较 由表可知：Uj与FZ型避雷器的残压高出约40%，比FCZ型高出

14、70%。普通阀型避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数12343511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.524570100709513580115160901301802202105165195220金属氧化物避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）由以上

15、分析可知为了保证设备的安全，需采取如下措施：1）限制通过避雷器的雷电流，5kA或10kA，降低残压2）限制雷电流陡度a3）尽量缩短避雷器与被保护设备间的电气距离L小结：变电站内安装避雷器的原则一般变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采用避雷器，重点在于选择避雷器的安装位置。原则就是在任何运行方式下，均不能超过最大电气 距离。避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。3. 变电所的进线段保护进线段：在变电所的进线长度约为12km的范围，其重要性远超过其余线路

16、。统计表明：变电站侵入波事故50%是1km线路落雷造成的，71是3km线路落雷造成的 变电所的进线段保护:雷电侵入波保护的一个重要辅助措施，1）. 进线保护概念进线段保护的措施 在进线段装设避雷线、避雷针或其他防雷装置，以降低侵入波的幅值和陡度，使避雷器可靠动作，减小反击和绕击的概率。（1）对 35110kV 线路，并不要求全线架设避雷线进行保护，但在靠近变电所的 1 2km 范围内应装设避雷线、避雷针或其它防雷装置，通常称此线段为进线段。（2）对全线有避雷线的线路来说，把靠近变电站附近 2km 长的一段线路也叫进线段。它除了线路防雷外，还担负着避免或减少变电所雷电行波事故的作用。（3）在上述

17、两种情况下，进线段的耐雷水平要达到有关规程规定值，以减少反击；同时保护角不超过20，以减少这段线路的绕击。 3）. 进线保护的典型接线（a）35kV110kV变电所的进线段保护接线如图8-32所示。 35kV110kV全线无避雷线的线路 该段线路必须装设避雷线，且线路保护角一般不宜超过20。排气式避雷器的作用：保护断路器 在雷电季节，QF会经常处于断开状态，沿线路的侵入波会在此处发生全反射加倍，此时FA应该先动作，以防QF外侧对地绝缘闪络；当QF合闸时，FA不应当动作，以防产生截波。排气式避雷器 QF避雷器的作用FT1管式避雷器：当线路的绝缘水平很高时，如木杆或木横担线路，由于其雷电入侵波的幅

18、值可能很高，有可能使流过避雷器的电流超过规定值，因此需要FT1限制雷电入侵波的幅值。且所在杆塔接地电阻应降到10以下，以减少反击。FT2管式避雷器：雷雨季节常有断路器断开、而线路带电运行方式，防止来波在开路的线路末端全反射造成闪络，工频短路电流烧坏断路器或隔离开关，但正常运行时，F2应在F1的保护范围内。限制侵入波的幅值 保护断路器 （b）220kV及以上的全线有避雷线的线路 通过减小该段电路的保护角（不宜超过20）和杆塔冲击接地电阻，提高该段线路的耐雷水平，以尽量避免在该段线路出现反击和绕击，使进线段内雷电通过绕击和反击侵入变电站的概率变得很小。（c）、35kV小容量变电站简化接线变电站面积

19、小，避雷器与变压器距离在10m以内用电抗线圈代替进线段避雷线的保护接线 （d）、35kV110KV变电站使用电抗线圈对35110KV点点所，如果进线段装设避雷线有困难或进线段杆塔接地电阻难以下降，不能达到要求的耐雷水平时，可在进线的终端杆上安装一组1000H左右的电抗线圈来代替进线段，此电抗线圈既能限制流过避雷器的雷电流，又能限制入侵波陡度。未沿全线架设避雷线的35 110 kV 线路进线保护 小结： 进线保护的典型接线限制侵入波的幅值 保护断路器 全线有避雷线的变电所进线保护 31500 5000 kVA，35kV变电所的简化保护接线 用电抗线圈代替进线段避雷线的保护接线 2). 进线保护的

20、作用a. 限制流过避雷器的雷电流幅值以防止残压过高，同时防止烧坏避雷器避雷器雷电流计算认为最危险的落雷发生在进线段的首段，且侵入波幅值被限制在进线段绝缘子串的U50%，波在进线段12km来回一次的传播时间 故不考虑负的反射波雷电过电压波从进线段以外传来，当它在流过进线段时，将因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值，同时也限制了流过避雷器的冲击电流幅值。一回线路避雷器冲击电流的计算：U50%:侵入电压波（KV）；Z；线路波阻抗（）；F（I）：阀型避雷器的伏安特性；5kA 出线越多雷电流越小N条进线时避雷器冲击电流的计算： 例如，对于220kV 线路，取U50% = 1200kV，Z =

21、 400 ，uR= 664kV，则： 计算流经避雷器的冲击电流最大值 额定电压(kV)避雷器型号线路绝缘的U50% (kV)ib (kA)35FZ-353501.41110FZ-110J7002.67220FZ-220J120014004.355.38330FCZ-330J16457.06500FCZ-500J206023108.6310 当选用避雷器保护变电所时，一般在电压为 220kV 级及以下时用 5kA 下的残压为准，而在 330kV 以上时，线路为分裂导线其波阻抗小些，故避雷器雷电流取10kA，以 l0kA 下残压为准，或者更大的雷电流，由于金属氧化物避雷器非线性特性非常好，因此雷电

22、流要取更高的值。 由于u50%超过了导线上起始冲击电晕电压，侵入波传播时会因冲击电晕产生衰减和变形（陡度降低）时间陡度b. 限制侵入波陡度 式中l为行波传播距离（km），u为行波电压(kV)，h为导线对地平均高度（m)。电压瞬时后移的时间：在防雷计算中，对单导线，根据电力行业标准DL/T620-1997 推荐的经验公式计算：(2) 进入变电站的雷电波的陡度 从最严重情况出发，设侵入波为直角波，幅值为U50%，则侵入波会发生电晕，导致波形变形与衰减。按照第八章内容，电晕对波形的衰减与变形中的内容，波形的延迟时间为：因此，进入变电站的雷电波时间陡度为：kV/s 空间陡度为：kV/m 变电所侵入波计

23、算陡度 额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)1km进线段2km进线段或全线有避雷线1km进线段2km进线段或全线有避雷线351.00.52201.5601.10.553302.21101.60.755002.5空间陡度当进线段保护的长度为lp时，相应的波前陡度为：当a是波前陡度允许值时，所需要的进线段长度为：两种典型计算 （1）给出避雷器到变压器的电气距离lmax，计算应有的进线保护段长度lp； （2）给出线路进线保护段长度lp，计算lmax小结：例：110kV终端变电站仅一回出线，进线段导线平均高度8.5m，站中变压器距避雷器的电气距离l=45

24、m，进线段长度l0为1km，变压器uj=478kV，FZ-110J的ur,5=332kV试校核变压器是否受到可靠保护解：可见变压器能得到可靠保护4. 变压器防雷保护的几个具体问题（1）变压器中性点防雷保护当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上会达到绕组首端电压的两倍，因此需要考虑变压器中性点的保护问题。（a）中性点绝缘水平的分类全绝缘：中性点的绝缘水平与绕组首端（相线端）的绝缘水平相等（60kV及以下变压器）。分级绝缘：中性点的绝缘水平低于绕组首端（相线端）的绝缘水平（110kV及以上）。全绝缘：中性点处的绝缘水平与相线端的绝缘水平相等。 此时，中性点一般不需保护。若变电所为单台变压器且为单

25、路进线运行时，在三相同时进波的情况下，中性点的对地电位会超过首端的对地电位。这种情况虽属少见，但需在中性点加装一个与首端有同等电压等级的避雷器。分级绝缘：中性点处的绝缘水平低于相线端的绝缘水平。 应选用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，但要注意校验避雷器的灭弧电压，它始终大于中性点可能出现的最高工频电压。60kV及以下电网，一般都是非直接接地，采用全绝缘，一般不需要保护。但在单台变压器、单路进线情况下，应安装一个与绕组首端同样电压等级的避雷器作为保护。（b）不同电压等级的中性点保护110kV及以上的电网：一般是中性点直接接地，但部分为了继电保护要求，中性点不直接接地，属分级绝缘。要求：需选

26、用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，并且避雷器的灭弧电压必须大于中性点可能出现的最大工频电压。特点：中性点的绝缘水平比相电压低得多：110kV变压器中性点采用的是35kV级绝缘，220kV中性点采用110kV级绝缘，330kV变压器采用154kV级绝缘；如果中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，宜选变压器中性点MOA；如果变压器中性点全绝缘，一般不需保护。110kV及以上的电网 一般是中性点直接接地，但部分为了继电保护要求，中性点不直接接地，属分级绝缘。要求：需选用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，并且避雷器的灭弧电压必须大于中性点可能出现的最大工频电压。特点：中性

27、点的绝缘水平比相电压低得多：110kV变压器中性点采用的是35kV级绝缘，220kV中性点采用110kV级绝缘，330kV变压器采用154kV级绝缘；如果中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，宜选变压器中性点MOA；如果变压器中性点全绝缘，一般不需保护。（2）三绕组变压器的防雷保护。 （1）低压绕组开路时，若线路有入侵波传来雷电波作用在高压侧或中压侧时，由于低压绕组的对地电容很小，开路的低压绕组上的静电耦合分量可能达到很高的数值，需要在任一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器。 （2）如果低压绕组连接有25m及以上的金属铠装电缆段，低压侧可不装避雷器。 （3）三绕组变压器中压

28、绕组，相对来说，绝缘水平比低压绕组要高，当其开路运行时，一般静电耦合分量不会损坏中压绕组，不必加装上述要求的避雷器。图8-35 自耦变压器的防雷保护接线自耦变压器除高、中压自耦绕组之外，还有三角形接线的低压非自耦绕组。高低压绕组运行而中压开路时，若有侵入波从高压端线路袭来，绕组中电位的起始与稳态分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同。自耦变压器的防雷保护接线如图8-35所示。 （3）自耦变压器的防雷保护雷电波侵入自耦变压器时的过电压侵入高压绕组时，开路的中压绕组上最高电压约为2U0/k，因此，应在中压绕组出线段加装避雷器侵入中压绕组时，开路的高压绕组上最高电压约为2kU0，因此，应在高

29、压绕组出线段加装避雷器自耦变压器防雷保护C） 当A有接线时，相当于A经过线路波阻抗接地。当A有过电压时，大部分电压落在在AA上，危险；同理，当A有接线时，A的过电压大部分会降落在AA上，危险。因此，在k1.25时，在中压和高压绕组间，还要加装避雷器。自耦避雷器配置一般避雷器配置 配电变压器的防雷保护接线如图8-36所示，其310kV侧应装设阀式避雷器FS-310或保护间隙来保护，构成变压器高压侧FS的接地端点、低压绕组的中性点和变压器金属外壳三点联合接地。（4）配电变压器的防雷保护图8-36 配电变压器的保护接线 配电变压器的防雷保护避雷器的接地线与变压器金属外壳、低压侧中性点连在一起接地避雷器尽量靠近变压器，尽量减小连接线的长度如低压侧线路落雷，作用在低压侧的冲击电压按变比感应到高压侧，由于低压侧绝缘裕度比高压侧大，故有可能在高压侧引起先击穿，这个过程叫做“正变换”。为了防止正反变换出现的过电压，可在低压侧每相上